行業(yè)資訊
特殊時(shí)期會(huì)使含氯消毒劑的使用增多,*終可能進(jìn)入污水處理廠影響生物處理效果。探討不同濃度的余氯(游離氯和化合氯)對活性污泥處理效果的影響,并觀察活性污泥的性能和微生物多樣性。結(jié)果顯示,與未投加余氯相比,投加游離氯濃度大于等于3 mg/L或投加化合氯濃度大于等于5 mg/L時(shí),出水水質(zhì)出現(xiàn)顯著增加,且化合氯對COD和TN去除抑制作用大于游離氯,對TP去除抑制作用小于游離氯。投加余氯后,活性污泥的沉降性能良好,但芽孢桿菌屬(Bacillus)的相對豐度隨著游離氯投加量的增加而減少,當(dāng)化合氯投加量超過1 mg/L時(shí),芽孢桿菌屬(Bacillus)幾乎消失。芽孢桿菌屬(Bacillus)的變化導(dǎo)致活性污泥脫氮效率的降低,且化合氯抑制細(xì)菌脫氮功能高于游離氯。
0 引言
2020年初,為防控新冠疫情,武漢市公共場所和家庭為了加強(qiáng)消毒使用大量消毒劑,其中含氯消毒劑使用較多。*終,含氯廢水經(jīng)市政污水管網(wǎng)進(jìn)入了污水處理廠。汪永輝研究表明,廢水pH控制在7.5左右,當(dāng)余氯計(jì)量逐漸增大(0.1~3.0 mg/L)時(shí),COD與BOD去除率呈下降趨勢。且余氯計(jì)量大于2.5 mg/L時(shí),活性污泥絮體解體,原生動(dòng)物大量死亡。當(dāng)進(jìn)水中ClO-濃度超過0.5 mg/L時(shí),活性污泥的毒性效應(yīng)隨著濃度的增加而增強(qiáng)。因此,當(dāng)投加過量含氯消毒劑時(shí),導(dǎo)致污水中余氯過量,可能抑制活性污泥活性,影響生物處理效果。
污水處理廠生物處理單元,既是去除污染物質(zhì)的核心單元,也是去除、殺滅或抑制病原微生物的*重要環(huán)節(jié),為使污水處理廠出水達(dá)標(biāo)排放,必須保持生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。本研究旨在通過模擬不同濃度進(jìn)水余氯(游離氯及化合氯)的進(jìn)水條件,研究余氯對污水處理廠生物處理系統(tǒng)的生化處理效果、活性污泥性狀和微生物等方面的影響,為污水處理廠在重大疫情時(shí)的應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。
1 材料與方法
1.1 材料
試驗(yàn)在16 L SBR反應(yīng)器(有機(jī)玻璃柱,內(nèi)徑15 cm,高度95 cm,配曝氣頭、空氣泵、氣體流量計(jì)、進(jìn)水口、排水口、取樣口和排泥口)中進(jìn)行(見圖1)?;钚晕勰嗖勺晕錆h市某污水處理廠二期氧化溝活性污泥混合液,原水采自該污水處理廠沉砂池出水。試驗(yàn)藥劑(次氯酸鈉、氯胺T)購買于國藥集團(tuán)。
圖1 試驗(yàn)裝置
1.2 方法
在編號1~9的反應(yīng)器中分別裝入3 L污泥混合液,模擬生物處理系統(tǒng)。取污水處理廠沉砂池出水,添加一定量游離氯(次氯酸鈉)和化合氯(氯胺T),模擬污水處理廠受到的余氯進(jìn)水沖擊情況,配水濃度見表1。每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)平行組。
(1)依照SBR運(yùn)行模式,按照進(jìn)水-曝氣-沉淀過程進(jìn)行,設(shè)計(jì)排水比為1/3,曝氣時(shí)間為3 h,沉淀時(shí)間為1 h。曝氣量維持反應(yīng)器中溶解氧濃度為2~3 mg/L。
?。?)運(yùn)行第3 h開始污泥濃度進(jìn)行檢測,測定SV30后的污泥混合液需要重新倒入生物系統(tǒng)中。
?。?)沉淀1 h后,取上清液500 mL進(jìn)行水質(zhì)分析(COD、TN、TP和NH3-N),然后排水至1/3排口處,一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束。
(4)一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束,重新開始進(jìn)水進(jìn)入下一運(yùn)行周期。夜間停止進(jìn)水,曝氣減弱。
試驗(yàn)持續(xù)18天,每3天取進(jìn)出水樣。結(jié)束時(shí)取污泥混合液測定活性污泥的微生物群落。
1.3 樣品分析
進(jìn)出水樣COD、TP、TN和NH3-N的測定均按照國家環(huán)保局標(biāo)準(zhǔn)分析方法,分別采用重鉻酸鉀氧化法、鉬酸銨分光光度法、堿性過硫酸鉀消解后紫外分光光度法、納氏試劑比色法。
取1 L污泥混合液(V1)于量筒中沉降30 min后讀取V2,計(jì)算SV30值(V2/V1×1);取100 mL污泥混合液過濾,濾紙于105 ℃烘至恒重,計(jì)算MLSS值[(m泥-m紙)/100]。
取20 mL污泥混合液于離心管,2 000 r/min離心15 min,倒掉上清液,取污泥進(jìn)行DNA提取,提取DNA的方法具體參照QIAamp DNA Stool Mini Kit(Qiagen,Germany)試劑盒說明書。隨后選用V3~V4通用引物進(jìn)行16S rDNA擴(kuò)增,將擴(kuò)增好的PCR產(chǎn)物的兩個(gè)末端加上接頭,采用Illmnina公司的Miseq測序儀進(jìn)行測序分析。測序完成后,通過Barcode區(qū)分各樣本序列。
1.4 數(shù)據(jù)處理
用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS中的One-way ANOVA對試驗(yàn)組中的COD、TP、TN和NH3-N數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析,Tukey test用于COD、TP、TN和NH3-N均值的多重比較,顯著水平設(shè)定為P<0.05。
考慮到時(shí)間效應(yīng)以及更好比較游離氯和化合氯對活性污泥處理性能影響,對COD、TP、TN和NH3-N進(jìn)行了以下的參數(shù)計(jì)算:
去除率(IR)見式(2):
式中 WA——時(shí)間加權(quán)平均值;
V——每次采樣時(shí)出水COD、TP、TN和NH3-N值;
IR——去除率;
C——進(jìn)水中COD、TP、TN和NH3-N值。
2 結(jié)果與討論
2.1 對活性污泥處理效果的影響
2.1.1 COD
試驗(yàn)期間,進(jìn)水COD的值為63~160 mg/L。未投加游離氯的活性污泥出水COD值為7~41 mg/L,投加1 mg/L游離氯的活性污泥出水COD值為9~29 mg/L,3 mg/L游離氯的出水COD值為9~31 mg/L,5 mg/L游離氯的出水COD值為5~18 mg/L,7 mg/L游離氯的出水COD值為12~64 mg/L。投加7 mg/L游離氯的活性污泥出水COD值均顯著高于其他濃度游離氯(P<0.05),但0、1 mg/L、3 mg/L和5 mg/L游離氯的活性污泥出水COD在試驗(yàn)期間沒有表現(xiàn)出一定的差異規(guī)律(見圖2a)。當(dāng)投加余氯為化合氯時(shí),投加7 mg/L化合氯的活性污泥出水COD值在第9天至第18天為43~71 mg/L,顯著高于其他濃度化合氯(P<0.05);投加5 mg/L化合氯的出水COD值在第6天為65 mg/L,顯著高于其他濃度化合氯(P<0.05,見圖2b)。
投加游離氯時(shí),活性污泥對COD的去除率為65.52%~90.89%,隨游離氯投加濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;投加化合氯的活性污泥對COD去除率為5361%~81.86%,隨化合氯投加濃度的增加而降低。當(dāng)游離氯和化合氯的投加濃度為7 mg/L時(shí),活性污泥對COD去除率達(dá)到*小值。且在相同投加濃度下,化合氯對活性污泥去除COD的影響比游離氯大(見表2)。
2.1.2 TP
試驗(yàn)期間,進(jìn)水TP的值為1.57~5.90 mg/L。除第9天和第12天,在其他時(shí)間內(nèi)投加5 mg/L游離氯的活性污泥出水TP值均顯著高于0、1 mg/L和3 mg/L濃度(P<0.05);投加7 mg/L游離氯的活性污泥出水TP值在試驗(yàn)期間較高(1.23~3.96 mg/L),除在第18天與5 mg/L游離氯出水TP值無顯著性差異外(P>0.05),均顯著高于其他投加濃度的游離氯(見圖3a)。當(dāng)投加不同濃度化合氯時(shí),從第6天開始5 mg/L和7 mg/L化合氯的出水TP值保持較高(5 mg/L:0.73~1.36 mg/L;7 mg/L:0.6~2.51 mg/L);且在第9天至第18天,投加7 mg/L化合氯的活性污泥出水TP值顯著高于5 mg/L化合氯的出水(P<0.05,見圖3b)。
活性污泥對TP的去除率(26.59%~86.36%)隨著游離氯投加濃度的增加而降低。當(dāng)化合氯的投加濃度超過3 mg/L時(shí),活性污泥對TP的去除率(50.91%~81.75%)隨著投加濃度的增加而降低。當(dāng)游離氯和化合氯的投加濃度為7 mg/L時(shí),活性污泥對COD去除率達(dá)到*小值。且在相同投加濃度下(除1 mg/L),游離氯對活性污泥去除TP的影響比化合氯大(見表3)。
2.1.3 NH3-N
試驗(yàn)期間,進(jìn)水NH3-N的值為12.93~22.78 mg/L。投加游離氯濃度為0、1 mg/L、3 mg/L和5 mg/L時(shí),活性污泥出水的NH3-N值無顯著性差異(第3天P>005;第6天P>0.05;第9天P>0.05;第12天P>0.05;第15天P>0.05;第18天P>0.05);但投加游離氯濃度為7 mg/L的活性污泥出水NH3N(0.18~5.27 mg/L)顯著高于其他濃度的出水(P<0.05,見圖4a)。投加化合氯時(shí),不同濃度化合氯出水的NH3-N值在第3天(0.02 mg/L)和第18天(0.28~0.35 mg/L)無顯著性差異(P>0.05);在第9天、第12天和第15天,活性污泥出水的NH3-N值隨著化合氯投加濃度的增加而上升,并在7 mg/L的投加濃度下達(dá)到*大(P<0.05,見圖4b)。
圖4 不同濃度余氯對活性污泥出水NH3-N的影響
當(dāng)投加游離氯濃度為1~5 mg/L時(shí),活性污泥對NH3-N的去除率為98.76%~98.85%;投加游離氯濃度為7 mg/L時(shí),對NH3-N的去除率為87.99%,出現(xiàn)降低現(xiàn)象。當(dāng)投加化合氯時(shí),活性污泥對NH3-N的去除率(97.99%~98.86%)不受投加濃度的影響(見表4)。
2.1.4 TN
試驗(yàn)期間,進(jìn)水TN的值為15.01~31.31 mg/L。除第9天外,投加1 mg/L濃度游離氯的活性污泥出水TN值(10.93~17.92 mg/L)顯著低于3 mg/L(12.51~20.00 mg/L)、5 mg/L(12.37~18.47 mg/L)和7 mg/L(13.41~16.49 mg/L)(P<005);投加游離氯濃度為3 mg/L、5 mg/L和7 mg/L時(shí),活性污泥出水的TN值沒有呈現(xiàn)一定的規(guī)律(見圖5a)。除第6天外,投加7 mg/L濃度化合氯的活性污泥出水TN值(14.05~20.73 mg/L)顯著高于其他投加化合氯的出水TN(見圖5b)。
表5 在不同余氯下活性污泥對TN的去除率
采用高通量測序得到的序列劃分OTU后,利用Blastn將OTU序列與對應(yīng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對,篩選出OTU序列的*佳比對結(jié)果,并對比對結(jié)果進(jìn)行過濾,默認(rèn)滿足相似度>90%且Coverage>90%的序列被用來后續(xù)分類,不滿足條件的序列則被歸為unclassified。投加游離氯后,活性污泥中屬水平的微生物組成和相對豐度如圖8所示。1 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬(Mycobacterium)、Cetobacterium和芽孢桿菌屬(Bacillus),相對豐度分別為32.26%、9.85%和7.70%;3 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬(Mycobacterium)、norank_f__JG30-KF-CM45、芽孢桿菌屬(Bacillus),相對豐度分別為64.05%、7.29%和7.30%;5 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬(Mycobacterium)、Cetobacterium和芽孢桿菌屬(Bacillus),相對豐度分別為43.96%、44.88%和0.76%;7 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為Romboutsia和糞桿菌(Faecalibaculum),相對豐度分別為23.51%和19.02%。其中,隨著游離氯投加量的增加,芽孢桿菌屬(Bacillus)的相對豐度呈現(xiàn)下降的趨勢。
圖8 投加游離氯后活性污泥中微生物在屬水平上群落結(jié)構(gòu)分布
投加化合氯后,活性污泥中屬水平的微生物組成和相對豐度如圖9所示。0 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬(Mycobacterium)、norank_f__JG30-KF-CM45和芽孢桿菌屬(Bacillus),相對豐度分別為69.58%、11.26%和2.47%;1 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為糞桿菌(Faecalibaculum)、norank_f__Muribaculaceae和Dubosiella,相對豐度分別為34.97%、14.07%和10.32%;3 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為Faecalibaculum、Dubosiella和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium),相對豐度分別為29.04%、10.89%和16.14%;5 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為擬桿菌屬(Bacteroides)和志賀菌屬(Escherichia-Shigella),相對豐度分別為21.66%和17.50%;7 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢菌屬為norank_f__Muribaculaceae、擬桿菌屬(Bacteroides)和Lachnospiraceae_NK4A136_ group,相對豐度分別為13.80%、15.40%和12.46%。其中,化合氯投加后,芽孢桿菌屬(Bacillus)的相對豐度出現(xiàn)下降,幾乎為0。
圖9 投加化合氯后活性污泥中微生物在屬水平上群落結(jié)構(gòu)分布
芽孢桿菌屬(Bacillus)屬于異養(yǎng)硝化和好氧反硝化菌,具有脫氮功能。研究表明,芽孢桿菌屬(Bacillus)對NO-3-N的降解效果良好,達(dá)35.6%。本試驗(yàn)中,隨著游離氯投加濃度的增加,活性污泥對TN的去除率逐漸降低,芽孢桿菌屬(Bacillus)相對豐度也呈下降趨勢。同時(shí),投加化合氯后,活性污泥對TN的去除率較低(22.37%~28.78%),芽孢桿菌屬(Bacillus)相對豐度幾乎為0。這說明游離氯和化合氯通過降低芽孢桿菌屬(Bacillus)的相對豐度來削弱生物系統(tǒng)的脫氮功能。另外,對比游離氯和化合氯二者對TN的去除率,發(fā)現(xiàn)相同投加濃度情況下,投加化合氯的生物系統(tǒng)對TN去除率低于投加游離氯,說明化合氯抑制細(xì)菌脫氮功能高于游離氯。
3 結(jié)論
?。?)與未投加游離氯相比,當(dāng)投加游離氯濃度達(dá)到7 mg/L時(shí),出水COD和NH3-N值顯著增加;投加濃度大于等于5 mg/L時(shí),出水TP值顯著增加;投加濃度大于等于3 mg/L時(shí),出水TN值顯著增加。當(dāng)投加化合氯濃度達(dá)到7 mg/L時(shí),活性污泥的出水COD和TN值顯著增加;投加濃度大于等于5 mg/L時(shí),出水TP值顯著增加;不同濃度化合氯對出水NH3-N無一定的影響趨勢。對比二者對去除率的影響,化合氯對COD和TN的影響大于游離氯,對TP的影響小于游離氯。
?。?)余氯(0~7 mg/L)對活性污泥的沉降性能無顯著性影響。
?。?)余氯通過降低活性污泥中芽孢桿菌屬(Bacillus)的相對豐度來降低活性污泥的脫氮效率。其中,芽孢桿菌屬(Bacillus)的相對豐度會(huì)隨著游離氯投加量的增加而減少;當(dāng)化合氯投加量超過1 mg/L時(shí),芽孢桿菌屬(Bacillus)的相對豐度幾乎降為0。
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